TEMA 4 Ciclos de Potencia y Refrigeración Parte I · La máquina realiza un ciclo similar al de los motores térmicos pero en sentido contrario. FOCO CALIE N TE ... El agente de

Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnología

TEMA 4

Ciclos de Potencia y Refrigeración

Parte I

Trabajo personal del alumno

2º Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Termodinámica Aplicada

2º GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES : TERMODINÁMICA APLICADA

1

El objetivo de este tema es abordar el ciclo termodinámico básico bajo el que operan las máquinas térmi-

cas, tanto las destinadas a generar potencia como aquellas productoras de frío. Para ello, se describirán los

componentes o dispositivos más elementales que constituyen estas máquinas. Asimismo, se modelizarán ter-

modinámicamente los ciclos más representativos para lo que se efectuarán numerosas simplificaciones que, si

bien conduce a resultados numéricos orientativos, resulta de gran utilidad a la hora de conocer y valorar cómo

afectan diversos parámetros de operación sobre el rendimiento y/o potencia obtenidos en los mismos.

A continuación encontrarás 15 cuestiones sobre conceptos que deberás responder y que constituyen la

base de conocimientos necesaria para seguir las clases impartidas por el profesor. Recuerda que todos los co-

nocimientos inherentes a estas cuestiones son susceptibles de ser preguntadas en el examen.

6.1. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS TÉRMICAS

1. De acuerdo a las definiciones que se presentan a continuación, identifique en las figuras adjuntas cuál es el

esquema del motor térmico y cuál el de una máquina frigorífica.

Motor térmico: transforma calor en trabajo. El calor se transfiere a un agente de transformación (gas o

vapor), que realiza un ciclo termodinámico, gracias al cual produce trabajo. El calor residual no aprove-

chado se cede a un foco frío.

Máquina frigorífica: aquella que extrae calor de un foco más frío que el ambiente a costa de consumir

trabajo. La máquina realiza un ciclo similar al de los motores térmicos pero en sentido contrario.

FOCO CALIENTE

FOCO FRÍO

Ciclo W

Q1

Q2

T1

T2

FOCO CALIENTE

FOCO FRÍO

Ciclo W

Q1

Q2

T1

T2

2. Teniendo en cuenta la definición de motor térmico anterior, identifique cada una de los componentes o sub-

sistemas básicos de una central térmica como la representada a continuación.


2

Generadoreléctrico

Turbina

Caldera

AireCombustible

Vapor deagua

Agualíquida

Chimenea

Agua de refrigeración

Torrede

refrigeración

A D

C

B

6.2. CICLOS DE MOTORES ROTATIVOS

3. Seleccione aquellas características que sean propias de los motores rotativos:

Producen el movimiento conocido como cilindro-pistón

Producen el movimiento de rotación de un eje

Sólo existen motores de combustión externa

Sólo existen motores de combustión interna

Pueden ser motores de combustión externa o interna


3

6.2.1 Ciclo Rankine.

4. Seleccione las características propias del ciclo Rankine:

Es el ciclo de las Turbinas de Gas

Es el ciclo de las Turbinas de Vapor

El agente de transformación cambia de estado a lo largo del ciclo, pero mantiene su composición unifor-

me

El agente de transformación no cambia de estado a lo largo del ciclo, pero cambia su composición a lo

largo del ciclo

5. Represente el diagrama de bloques de un ciclo Rankine

6. A continuación se representan los diagramas P-v y T-s del ciclo Rankine ideal. Mediante la aplicación del

Primer Principio de la Termodinámica, deduzca la expresión para el cálculo del calor o trabajo intercambia-

do en cada etapa del ciclo en términos de entalpía:


4

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

Proceso 12 (expansión isoentrópica del vapor en la turbina):

Proceso 23 (condensación isobara del vapor húmedo en el condensador):

Proceso 34 (compresión isoentrópica del líquido condensado):


5

Proceso 41 (calentamiento isóbaro del líquido subenfriado en la caldera):

6.2.2 Ciclo Brayton.

7. Seleccione las características propias del ciclo Brayton:

Es el ciclo de las Turbinas de Gas

Es el ciclo de las Turbinas de Vapor


6

El agente de transformación cambia de estado a lo largo del ciclo, pero mantiene su composición unifor-

me

El agente de transformación no cambia de estado a lo largo del ciclo, pero cambia su composición a lo

largo del ciclo

8. A continuación se representa el diagrama de bloques y los diagramas P-v y T-s de un ciclo Brayton ideal de

aire estándar. A partir de dichas figuras enuncie y describa cada una de las etapas o transformaciones del

ciclo:

Intercambiador

de calor

WC WT

QC

QR

Intercambiador

de calor

WN

1

2 3

4

1

2 3

4

s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC

WT

WC

QR

p

v

1

2

3

4s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC WT

WC

QR

T

s

Etapa 12:


7

Etapa 23.

Etapa 34.

Etapa 41.

6.5. CICLOS DE MOTORES ALTERNATIVOS

9. Seleccione aquellas características que sean propias de los motores alternativos:

Producen el movimiento conocido como cilindro-pistón

Producen el movimiento de rotación de un eje

Son motores de combustión externa

Son motores de combustión interna

El agente de transformación son los propios gases de combustión generados.

El agente de transformación es un gas que recibe la energía por intercambio de calor con los gases de

combustión


8

6.5.1 Ciclo Otto.

10. El ciclo Otto de aire estándar es el ciclo ideal de los motores (selecciona la respuesta correcta):

Diesel

De Gasolina

11. A continuación se describe cada una de las etapas del ciclo Otto de aire estándar. Asigne cada una de esas

etapas a las Figuras que aparecen posteriormente, enumerando en cada diagrama P-v y T-s, los diferentes

estados del ciclo:

Carrera de aspiración (01). Se abre la válvula de aspiración y el cigüeñal gira de modo que el pistón

se desplaza hacia el punto muerto inferior (PMI), permitiendo la entrada de combustible y comburente

dentro del cilindro.

Carrera de compresión (12). Se cierra la válvula de aspiración y gira el cigüeñal de modo que el pis-

tón se desplaza hacia el punto muerto superior (PMS) y comprime la mezcla combustible-comburente

dentro del cilindro. Se trata de una compresión isoentrópica y adiabática.

Calentamiento instantáneo a volumen constante (23). En este momento sucede la aplicación de

la chispa para encender la mezcla rápidamente. Las válvulas se mantienen cerradas y el pistón se en-

cuentra en el PMS dentro del cilindro.

Carrera de expansión (34). Como consecuencia de la aplicación de la chispa, se produce la com-

bustión de la mezcla liberando energía química contenida en la misma que hace que el pistón descien-

da rápidamente hacia el PMI completando el giro del cigüeñal. En el ciclo ideal se considera una expan-

sión isoentrópica y adiabática.

Disipación del calor residual (41). Se produce una transferencia del calor residual inmediatamente

a través de las paredes desde adentro de la cámara de combustión hacia fuera de la misma, mante-

niendo constante el volumen ocupado por el agente de transformación.

Carrera de expulsión (10). Se abre la válvula de escape rechazando los gases producidos en la

combustión y se cede el calor a la atmósfera. El pistón sube de nuevo hacia el PMS y se repite de nue-

vo el ciclo.


9

P

v

T

s

P

v

V. Admisión V. Escape

Bujía

Mezcla

T

s

P

v

Q Q

T

s


10

P

v

T

s

P

v

T

s


11

P

v

Gases de combustión

(A.T.)

T

s

12. El rendimiento térmico de un ciclo realizado por un motor térmico se define como

6.5.2 Ciclo Diesel.

13. De forma análoga a como se encuentran descritas las distintas etapas del ciclo Otto, describa cada una de

las etapas del ciclo Diesel, apoyándose en las Figuras que aparecen representadas en cada caso:

Carrera de aspiración (01).


12

Aire

P

v

0 1

2 3

4

s

T

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

Carrera de compresión (12).

P

v

0 1

2 3

4

T

s

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

Calentamiento instantáneo a constante (23).


13

Inyector

P

v

0 1

2 3

4

s

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

Carrera de expansión (34).

Gases de combustión

(A.T.)

v

0 1

2 3

4

P

s

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

Disipación del calor residual (41).


14

Q Q

v

0 1

2 3

4

P

s

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

Carrera de expulsión (10).

v

0 1

2 3

4

P

s

0 1

2

3

4 p =

cte

v =

cte

6.6. CICLOS DE REFRIGERACIÓN

14. A continuación aparece representado el diagrama T-s de un sistema de :refrigeración por compresión de

vapor. A partir de dicha figura, enumere las corrientes del diagrama de bloque que se muestra debajo y

describa cada una de las etapas o transformaciones que tienen lugar en dicho ciclo.


15

(a)

1

2

3

4

T

s

TF

TC

QS

WC

QE

Evaporador

Compresor Condensador

Válvula de expansión

Etapa 12:

Etapa 23.


16

Etapa 34.

Etapa 41.

15. Asigne cuál de las siguientes características o enunciados corresponden a un ciclo de refrigeración por

absorción y cuáles a un ciclo de refrigeración de Brayton invertido.

En lugar de comprimir el refrigerante, éste es absorbido por un absorbente líquido y la disolución líqui-

da resultante es la que se comprime hasta la presión superior del ciclo.

Una vez enfriado, el gas se expande en la turbina alcanzando una temperatura a la salida muy inferior a

la del foco frío, de tal modo que al entrar en contacto con dicho foco, lo enfría.

El gas refrigerante, una vez comprimido, se enfría por cesión de calor al ambiente.

En estos sistemas tan sólo se consume trabajo en la bomba, siendo muy pequeño con el trabajo nece-

sario para comprimir un vapor. Sin embargo, este ahorro energético puede verse anulado por los costes

que suponen la fuente de calor externa y los equipos que no son necesarios en los sistemas con com-

presión de vapor.

El coeficiente de operación de este ciclo se expresa de la siguiente forma:

h-h

4321

41

hhhhWW

Q

TC

E

El absorbente se separa por evaporación, por lo que es necesario aportar calor al sistema. Para ello,

suelen aprovecharse calores residuales de otros procesos e incluso energías renovables (solar y geo-

térmica), si bien también puede utilizarse los tradicionales combustibles fósiles.

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